防蓄电池过放保护装置的研究

国网四川省电力公司甘孜供电公司 李治辉 刘泉志 邓 滔 何文兵

本文主要通过建立蓄电池的模型对蓄电池失效进行研究，此处使用了Thevenin电池模型、Rint电池模型、PNGV电池模型对蓄电池的内阻进行研究，同时，通过大量的实验数据对蓄电池容量与内阻的关系和蓄电池电压与内阻的关系进行研究，并绘制关系曲线，根据关系曲线对蓄电池放电过程有一个全面的了解，从而根据曲线来对蓄电池过放的影响以及如何防止蓄电池过放进行研究。

蓄电池自发明以来，因为其储能效益得到了广泛应用，随着科技的发展，蓄电池也经过各方面的优化，到现在，在我们的生活中，蓄电池已经应用在各行各业，但是，蓄电池的维护中，我们需要对蓄电池进行定期充放电试验，如果当事故发生时，交流失电，此时直流系统完全由蓄电池进行供电，而此时蓄电池的容量无法满足要求，那么势必会造成蓄电池过放的发生，蓄电池一旦发生过放，将会对蓄电池造成不可逆的损坏，因此，我们通过建立模型分析蓄电池在放电过程中的内阻与电压变化关系，从而深入了解蓄电池过放导致蓄电池失效的原因，这样才能对蓄电池进行更好的保护。

1.铅酸蓄电池的工作原理

1.1 蓄电池结构

铅酸蓄电池主要由正极板、负极板、硫酸点解液以及栅板等组成，靠汇流排进行连接，正极板上有活性物质pbO2，负极板上有活性物质pb，电解液为硫酸水溶液。极板是蓄电池的核心部分，蓄电池之所以能够储能，都是依靠在极板上的活性物质与电解液的化学反应而进行的。在铅酸蓄电池的放电过程中，负极板上的活性物质pb与硫酸水溶液发生化学反应而产生电子，由于电子的电化学特性，电子运动到正极板，在正极板上的活性物质pbO2与硫酸水溶液发生电化学反应。正极充电过程电化学反应可表示为：

放电过程中正负极上的活性物质不断消耗，电解液的浓度不断下降，并且反应过程中不断产生难溶且不导电的pbSO4附着在正负极活性物质上，放电电压随之下降。

1.2 Thevenin电池模型

Thevenin电池的电路模型如图1所示，图中E为蓄电池电动势，R1为欧姆内阻，R2为极化内阻，C为极化电容，I为蓄电池流过的电流，当电池在充放电时，此时的端电压为U；欧姆内阻主要由正负极板、电解液、隔膜电阻以及各部分零件的接触电阻组成，具有欧姆特性；

图1 Thevenin 电池电路模型

1.3 Rint模型

Rint模型由美国爱达华国家实验室设计，也称内阻模型。在该模型中，把电池的开路电压等效为理想电压源Uoc，电池电阻等效为R，电池端电压为U，Rint模型如图2所示。

图2 Rint电池模型

1.4 RC电池模型

RC电池模型最初是由SAFT公司（电池制造商）提出的，该模型主要由两个电容和三个电阻组成，两个电容为：一个大容量电容C1，表征电池的容量，一个小容量电容C2，表征电池电极表面效应。三个电阻分别为端电阻Rt，终止电阻Re以及容性电阻Rc。具体RC电池模型如图3所示。

图3 RC电池模型

1.5 PNGV电池模型

在2001年《PNGV电池试验手册》和2003年《Freedom-CAR电池试验手册》中，PNGV电池模型是手册中的标准电池模型。该模型由电池开路电压等效为理想电压源Uoc，欧姆内阻Ro，极化内阻Rp，极化电容Cp，极化阻抗电流Ip，电池端电压U以及电池开路电压随负载电流时间呈积分变化的等效电容Coc组成。PNGV电池模型如图4所示。

图4 PNGV电池模型

2.蓄电池特性

在蓄电池的实际运行过程中，我们只能通过蓄电池的特性来对当前运行蓄电池的健康状态进行相应的评估；蓄电池的特征参数包括电池容量、SOC、SOH、电池内阻、电池端电压等。

2.1 蓄电池容量与内阻

蓄电池容量是用于表征电池的最大蓄能能力，用单位安时（Ah）进行表示；在实际运用中，我们常常采用对蓄电池进行核对性放电即使用0.1C倍率的电流对电池进行放电至终止电压，测得电池所放出电量的最低限度值，我们称之为蓄电池的实际容量大小。

蓄电池内阻是指在电池进行充放电过程中，电流所受的阻力称之为蓄电池的内阻，蓄电池内阻主要由欧姆内阻和极化内阻组成，欧姆内阻由正负极极柱、内部电解液、隔板等物理阻抗组成，遵循一般欧姆定律，一般设定为定值；极化内阻包括电化学电阻和电解液浓度差极化电阻，主要是由电池的极化作用产生的。

在实际运用中，由于电池组的木桶效应，即串联的电池组的放电容量等于单体电池容量的最小值，因此，在实际运行过程中，我们必须对蓄电池单体进行实时监测，以便及时发现容量降低的蓄电池进行更换，确保电池组正常运行。通过对蓄电池进行核对性容量放电试验得出蓄电池容量与内阻关系的曲线图，如图5所示；通过图中我们能够得到蓄电池容量在减小到某一个值时电池的内阻值会逐渐增大；特别是在电池容量低于20%以后，内阻增加变大。

图5 蓄电池容量-内阻关系图

2.2 蓄电池电压与内阻

电池电压包含有电池开路电压、端电压、截止电压以及浮充电压等；蓄电池的开路电压是指在开路状态下电池正负极两极柱之间的电压值。当电池处于稳定状态时，电池的开路电压值即为电池的电动势。当蓄电池接入负载进行工作过程中，这时候测量的电池正负极极柱之间的电压值即为此时电池的端电压，端电压也称为负载电压。

在以前的蓄电池运行维护过程中，我们仅仅是对蓄电池的端电压进行实时监测，用端电压的变化和大小来衡量一个蓄电池当前的运行状态，因为一旦蓄电池健康状态下降，端电压也会跟随产生相应的变化，同样的，因为蓄电池组的木桶效应，如果蓄电池组中存在个别的劣质或者不健康的蓄电池，在运行过程中，如果不及时发现该问题电池并进行更换的话，长期的运行会导致该电池问题越来越严重，甚至导致电池发生开路，从而致使整组电池瘫痪，因此，我们在电池组运行一段时间后需要对电池进行核对性放电处理，在放电过程中，能够根据电池的电压曲线来判断电池的健康水平。经过研究发现，蓄电池在恒流放电过程中，电压减小，内阻增大，并呈一定的对应关系，在恒流放电情况下，电池内阻随电压变化系数近似等效为公式：。式中x为电池的测量电压与标称电压的比值，y为测试内阻与标称内阻的比值；电池内阻与电压的关系式可表示如图6中的曲线。

图6 电池电压-内阻曲线

3.蓄电池失效分析

3.1 负极板硫酸盐化

在蓄电池进行放电过程中，根据上述蓄电池放电过程公式能够得知，在蓄电池放电时，极板上会产生pbSO4，这些硫酸铅会堆积在极板表面且过量，而且在电解液中呈现饱和状态，这些硫酸铅在温度以及电解液的催化作用下，会产生结晶附着在极板表面，而该结晶体在蓄电池充电时不能够再次参与极板表面转化为活性物质，从而导致活性物质减少，蓄电池失效。

3.2 正极板的腐蚀

蓄电池在放电过程中，如果产生过放，这时候电池内部电解液的浓度会由于失水变高，电解液的酸性过强，进而引起正极板的活性物质钳转换成硫酸铅晶体覆盖在pb表面，阻碍电池内部的化学反应速率，严重时会引起电池失效。

4.蓄电池防过放的研究

根据上述对蓄电池放电过程的研究，我们能够清楚的了解到蓄电池内阻与电压的关系，在蓄电池进行放电过程中，蓄电池组容量下降，蓄电池组端电压也对应降低，如果蓄电池组端电压到达放电最低电压值，此时必须终止对蓄电池的放电过程，否则会对蓄电池造成永久不可逆的损坏，甚至致使蓄电池失效，因此，为了避免蓄电池因为过放造成的损坏，我们需要对蓄电池放电过程进行监控，防止蓄电池过放的发生。

4.1 防止蓄电池过放装置的原理

首先，我们需要在蓄电池组的充放电线路上面串接一个可控断路器，然后我们对蓄电池组电压进行实时监测，同时，我们还需要对三相交流电压进行监测，当交流失电的情况下，此时由蓄电池组作为备用电源进行供电，在蓄电池组放电的过程中，我们对蓄电池组电压进行实时监测，通过上述分析我们能够得到蓄电池组的放电截止极限电压，一旦此时蓄电池组电压低于该放电截止极限电压，我们对断路器进行操作，断开断路器，此时，蓄电池组脱离直流系统，放电终止。当交流电恢复后，我们控制断路器接通，此时对蓄电池进行充电。装置具体结构框图如图7所示。

图7 蓄电池防过放装置结构框图

5.总结

通过上述对蓄电池放电过程的分析，如果在交流失电的情况下，蓄电池进行放电，但是随着放电时间的增加，蓄电池容量与电压势必会随之降低，那么内阻就会随之增大，当蓄电池容量到达最低限度，如果此时还继续对蓄电池进行放电，就会造成蓄电池失效的风险，为了避免该风险的发生，当蓄电池产生过放之前终止蓄电池的放电，能够有效的避免蓄电池因为过放导致失效的风险，因此，研究蓄电池防过放保护装置就显得尤为重要。